張瑩 杜蕭強

北京天然氣管道有限公司內(nèi)蒙古輸氣管理處

摘要：介紹了陜京管道途經(jīng)區(qū)域特殊的地質(zhì)環(huán)境，以及運用無人機技術、地質(zhì)災害監(jiān)測與預警系統(tǒng)在預防地質(zhì)災害方面發(fā)揮的重要作用。

關鍵詞：陜京管道；無人機；地質(zhì)災害；監(jiān)測；預警

陜京管道總里程5 387公里，途經(jīng)陜西、內(nèi)蒙古、山西、河北、北京、天津4省2市。管道干線包括陜京一線、二線、三線、四線和永唐秦、唐山LNG外輸管線、大唐煤制氣北京段等。

1 管道途經(jīng)地質(zhì)環(huán)境

陜京管道大部分管段處于黃土高原半濕潤、半干旱和干旱區(qū)的過渡帶，是我國水土流失最嚴重、土壤侵蝕規(guī)律最復雜的地區(qū)之一；部分管段穿越黃河徑流，區(qū)域內(nèi)黃河支流交錯，溝壑縱橫，地形破碎；年均降雨量為400～776 mm、其中60%～70%集中在6～9 月；土地類型以黃綿土為主，土質(zhì)疏松，易于侵蝕。陜京四線管道途經(jīng)內(nèi)蒙古風沙草灘、丘陵溝壑區(qū)域，前者土壤侵蝕嚴重，土壤沙化，植被覆蓋嚴重不足；而丘陵溝壑段土薄石厚，保水能力差，土壤侵蝕嚴重，管道上方?jīng)_溝、塌陷頻繁發(fā)生。

2 無人機技術應用

2.1 巡檢方式

無人機周期性巡檢按照固定頻次、固定飛行高度、固定監(jiān)測內(nèi)容進行。針對管道沿線的地形地貌、地質(zhì)環(huán)境、水土保持工程等目標進行圖像收集，工作人員通過實時查看巡檢圖像信息，監(jiān)測管道沿線情況。定期開展無人機巡檢，對比甄別前一期與本期巡檢記錄，篩選出管道周邊地質(zhì)環(huán)境變化較大點，進行現(xiàn)場踏勘，制定防控方案，據(jù)此納入秋季水害調(diào)查立項工程統(tǒng)一治理，確保管道周邊各類地質(zhì)風險受控。

2.2 應用案例

鄂爾多斯作業(yè)區(qū)管轄陜京四線管道逾370公里，穿越庫布其、毛烏素沙漠段180余公里，途經(jīng)丘陵、溝壑105公里，穿越大型河流、鐵路、公路62處，管道沿線水工640余處，具有沿線地貌差異大、線路長、巡線難度大等特點。以智能巡檢系統(tǒng)管理平臺、采用縱橫TX-20和TX-10垂直起降固定翼無人機對該段管道進行巡檢，累計飛行時間8.3小時，總覆蓋面積97平方公里，處理航拍圖片6 666 張。通過圖像識別發(fā)現(xiàn)多處隱患，結果統(tǒng)計如表 1所示。

2.3 應急巡檢

近期因新冠病毒疫情導致部分管道巡檢路線封閉，作業(yè)區(qū)無法開展日常巡護工作。鄂爾多斯作業(yè)區(qū)啟用大疆御二警用版無人機實施巡檢及監(jiān)測。大疆御二警用版無人機搭載4 K高清視頻成像與1 200像素可見光傳感器，長達30 min超長續(xù)航能力，7 km連續(xù)高清視頻遠傳，最大時速72 km/h，人工遠程控制、低 空飛行、不同角度近距離拍攝等功能實現(xiàn)遠程監(jiān)測。如遇發(fā)生洪水、地震、山體滑坡等威脅管道安全的緊急情況，可執(zhí)行應急巡檢，為應急搶險提供第一手信息，利于做好前期應急搶險準備。

3 應力應變監(jiān)測與預警系統(tǒng)應用

3.1 系統(tǒng)概述

管道應力應變監(jiān)測與預警系統(tǒng)利用無線通信網(wǎng)絡，通過在地質(zhì)災害頻發(fā)區(qū)域的管道本體上安裝應變計以及在管道周邊埋設傳感器（土壓計、測斜儀等），監(jiān)測應力數(shù)據(jù)變化，使管理人員在遠端及時掌握管道及周邊情況變化，對管道實施監(jiān)測及預警。該系統(tǒng)結構簡單、安裝簡便；不破壞管道受力、防腐結構；低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠；可根據(jù)需求調(diào)整報警閾值，可根據(jù)數(shù)據(jù)變化自動調(diào)整監(jiān)測策略。

3.2 報警閾值設置

參考中石油企業(yè)標準，三級預警閾值設置原則如下：管體附加應力超過允許附加應力 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax 的30％，發(fā)布三級預警；超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的60％，發(fā)布二級預警；超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的90%，發(fā)布一級預警。

如無法提供管道的彈性敷設應力、管道安裝和運行時溫差造成的溫差應力、安裝傳感器時管道原有應力，建議二級預警增加安全系數(shù)0.9，一級預警增加安全系數(shù)0.8，三個級別報警閾值設置如下：

①超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax 的30％，發(fā)布三級預警，標為藍色。此時管道出現(xiàn)較小變形，需要密切關注。

②超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的54％，發(fā)布二級預警，標為黃色。此時管道出現(xiàn)較大的變形，需要進行警示，并且根據(jù)實際情況進一步綜合判斷是否需要采取措施。

③超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的72%，發(fā)布一級預警，標為紅色。此時管道出現(xiàn)嚴重變形并且極易發(fā)生事故，需要立即采取措施。

以陜京四線管道為例，鋼管外徑1 219 mm,設計壓力12 MPa，鋼材材質(zhì)X80，最小屈服強度555 MPa，由表 2管道參數(shù)計算得出報警閾值。

3.3 應用現(xiàn)狀

目前陜京管道共安裝監(jiān)測點100多處，覆蓋陜京一線、二線、三線、四線和大唐煤制氣管線、永唐秦管線等（圖 1）。陜京四線內(nèi)蒙古輸氣管理處已安裝16處，系統(tǒng)運行良好。由圖 2烏審旗監(jiān)測點28個月監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，管道所受最大附加應力均在60 MPa以下，遠不及三級應力報警閾值126 MPa。該監(jiān)測點監(jiān)測期間無地質(zhì)災害發(fā)生。

2014年11月底至2015年2月初，陜京管道某壓氣站下游的兩個監(jiān)測點S1a-1330和S1a-1333-7應力數(shù)據(jù)變化較大，局部數(shù)據(jù)達到了三級報警閾值，從圖 3可 以明顯看出數(shù)據(jù)成間歇波峰狀，表明管道在特定時間段受到較大附加應力。

通過對壓氣站的日常運行數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)應力變化與壓縮機組啟機時間段重合，壓氣站的出站溫度與燃壓機組的出口溫度呈正相關（圖 4），表明溫度是導致管道附加應力上升的主要因素。本次預警直觀、真實反映了管道的應力狀態(tài)。

4 結語

利用無人機技術、管道應力應變監(jiān)測與預警系統(tǒng)，可有效監(jiān)控災變體的穩(wěn)定狀態(tài)及變化趨勢。結合洪水預警系統(tǒng)提前掌握復雜、特殊天氣預警信息，為預防地質(zhì)災害做好防護措施，做到未雨綢繆。

作者：張瑩， 1987年生，管道保護工程師。聯(lián)系方式： 15561124591，395137802@qq.com。